DE3873932T2

DE3873932T2 - Fuellkoerper zur aufnahme eines energiespeichermaterials mit hoher, latenter schmelz kristallisierungswaerme.

Info

Publication number: DE3873932T2
Application number: DE8888400021T
Authority: DE
Inventors: Jean Patry
Original assignee: Individual
Current assignee: Cryogel Sa Paris Fr
Priority date: 1987-01-13
Filing date: 1988-01-06
Publication date: 1993-07-22
Anticipated expiration: 2008-01-07
Also published as: ES2034278T3; FR2609536B1; KR940007193B1; FR2609536A1; KR880009257A; CA1278433C; ATE79944T1; EP0277847B1; EP0277847A1; ZA8857B; AU1017288A; MX160234A; CN88100086A; GR3005527T3; JPS63180088A; AU598895B2; DE3873932D1; CN1016272B; US4768579A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Füllkörper, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist. Ein derartiger Körper ist beispielsweise aus der DE-A-3 005 450 bekannt.
Es sind gleichermaßen Einrichtungen bekannt, die während einer gegebenen Zeitspanne das Anordnen von Mitteln zur Wärme- oder Kälteerzeugung in veränderlichem Ausmaß erfordern. Diese Einrichtungen sind in einer Weise konzipiert, um die Leistung der zur Erzeugung der Wärme und/oder Kälte bestimmten Apparate in einem wesentlichen Ausmaß zu reduzieren. Ein Beispiel einer derartigen Einrichtung ist insbesondere in der FR-A-2 469 678 beschrieben.
In derartigen Einrichtungen setzt man Systeme zur Speicherung der erzeugten Wärme und/oder Kälte ein, welche dann je nach Bedarf umverteilt wird, wobei die Speicherungskapazität in einer Weise gewählt wird, daß die Einrichtung augenblicklich die maximale Leistung liefern kann, welche durch die Beladung der Einrichtung gefordert wird.
Man kennt weiters zahlreiche Füllkörper für Einrichtungen, die zur Speicherung von Wärme oder Kälte vorgesehen sind, wobei diese Füllkörper ein Material enthalten, das einen Phasenübergang zeigt.
Nach genauem Studium der älteren, sich auf den oben angegebenen Stand der Technik beziehenden Literatur kann man daraus ableiten, daß drei Arten von Füllkörpern mit einem Material mit Phasenübergang existieren, nämlich:
a) ein Füllkörper, der vorzugsweise gänzlich mit dem Speichermatieral ausgefüllt ist und eine flexible Struktur besitzt, um die Volumsänderungen aufzunehmen, die sich während des Phasenübergangs durch die Volumsänderung des Speichermaterials ergeben.
Ein derartiges Beispiel ist etwa in der US-A-2 525 261 beschrieben.
b) Einen Füllkörper, der vorzugsweise gänzlich mit dem Speichermaterial ausgefüllt ist und eine elastische Struktur aufweist, um die Volumsveränderung aufzunehmen, die sich während des Phasenübergangs durch die Volumsänderung des Speichermaterials ergibt.
Ein Beispiel eines derartigen Füllkörpers ist beispielsweise in der FR-A-1 104 400 offengelegt.
c) Ein Füllkörer, der teilweise mit dem Speichermaterial ausgefüllt ist und im allgemeinen eine starre Struktur aufweist; der mit Gas oder mit Luft gefüllte Freiraum ist in diesem Fall vorgesehen, um durch Kompression das Anwachsen des Volumens aufzunehmen, das sich während des Phasenübergangs durch die Veränderung des Volumens des Speichermaterials ergibt.
Man findet eine Beschreibung eines derartigen Füllkörpers beispielsweise in der US-A-4 205 656.
In allen diesen Fällen handelt es sich um das Einkapseln eines Materials mit Phasenübergang (Wasser, Salzhydrat, Paraffin, etc.) in eine Hülle, um durch Ausnutzung der latenten Schmelzwärme die Wärme oder Kälte zu speichern.
Wegen ihrer Symmetrieeigenschaften ist für die das Material mit Phasenübergang enthaltende Hülle die sphärische Form seit langem die verbreiteste.
Darüberhinaus ist das Ausfüllen eines Behälters durch diese kugelförmigen Körper in loser Schüttung leicht durchzuführen, es ist ein guter Füllkoeffizient des Behälters und auch eine gute Zirkulation des Wärmeaustauschmittels, das die Wärmeübertragung durchzuführen hat, zu erreichen.
Die thermischen Eigenschaften dieser Art der Speicherung können durch das Ausmaß des Austausches zwischen dem Material mit Phasenübergang und dem Wärmeübertragungsmittel, in welchem der Körper eingetaucht ist, bewertet werden.
Für ein gegebenes Material mit Phasenübergang und einen gegebenen Temperaturunterschied zwischen dem Material mit Phasenübergang und dem Wärmeaustauschmittel ist das Ausmaß des Übergangs:
- Proportional der thermischen Leitfähigkeit λ des vorliegenden Materials.
- Umgekehrt proportional der Dicke des zu durchdringenden Körpers oder Materials.
- Proportional der Austauschoberfläche zwischen dem Material mit Phasenübergang und dem Wärmeaustauschmittel.
P = f (λ, 1/e, S)
Das technisch-ökonomische Ziel besteht nun darin, den besten Kompromiß (λ ,1/e, S) bei den geringsten Kosten zu suchen.
Verschiedene bekannte Lösungen haben nun auf die thermische Leitfähigkeit des für die Herstellung der Kugel verwendeten Materials abgezielt, wobei Stahl eine gute Leitfähigkeit, jedoch hohe Kosten aufweist; wenn man ein Plastikmaterial verwendet, sind sowohl die thermische Leitfähigkeit, als auch die Kosten gering; und wenn man einen Kompromiß, bestehend aus Plastikmaterial mit darin enthaltenen metallischen Teilchen verwendet, erhält man eine mittelmäßige thermische Leitfähigkeit bei höheren Kosten.
Andere Lösungen haben in der Herstellung von Hüllen bestanden, die vertiefte Ausnehmungen über die gesamte oder einen Teil der Kugel aufweisen, um damit die zu passierende Dicke zu reduzieren und damit die Geschwindigkeit der Kristallisierung des Materials mit Phasenübergang zu verbessern.
Aber auch damit ist man auf Schwierigkeiten gestoßen, da der Boden dieser Ausnehmungen sich bei Deformierungen ausdehnt und dünner wird und damit Bruchzonen und eine Beschädigung der Hüllen hervorruft.
Es existieren ebenso Kugeln mit luftgefüllten, hohlen Stellen, um damit die Ausdehnung des Materials mit Phasenübergang ohne Bersten der Hülle aufzunehmen, jedoch ist auch hier die Verbesserung aufgrund der luftgefüllten Höhlungen und der größeren Dicke der Hülle, die auch starr sein soll, gering.
Keine der bisherigen Lösungen ist daher zufriedenstellend.
Aus diesem Grund soll die vorliegende Erfindung einen Füllkörper angeben, der vorzugsweise gänzlich mit dem Speichermaterial gefüllt ist und eine dünne und flexible Struktur aufweist, um die Veränderungen des Volumens aufzunehmen, die sich während des Phasenüberganges aufgrund der Volumsänderung des Speichermaterials ergeben.
Dementsprechend schlägt die vorliegende Erfindung einen Füllkörper mit flexibler Struktur vor, dessen geometrische Form derart ist, daß die einzige Flexibilität für die Volumsvergrößerung erforderlich ist.
Es ist klar, daß dies wesentlich und bestimmend für das Erhalten einer Ausführung von Qualität ist, insbesondere sobald die Hülle aus Plastikmaterial hergestellt ist. Schließlich ist bekannt, daß sobald Plastikmaterial einer Ausdehnung unterworfen ist, sich die dieses Material bildenden Molekülketten voneinander entfernen und damit Durchgang durch Osmose oder Konzentrationsdifferenzen gestatten. Es ist weiters bekannt, daß der Elastizitätsmodul von Plastikmaterialien gering ist und daß ein von einem Anwachsen des Volumens des Speichermaterials verursachtes Anwachsen des inneren Druckes des Füllkörpers ein Überschreiten der elastischen Grenzen des die Hülle bildenden Materials ergeben kann, vorzugsweise in dessen am wenigsten widerstandsfähigem Bereich, was eine schnelle Zerstörung der Hülle zur Folge hätte.
Gemäß der Erfindung ist der Füllkörper zur Aufnahme eines Energiespeichermaterials mit hoher latenter Schmelz-Kristallisierungswärme, insbesondere Wasser, für eine Speichereinrichtung, umfassend einen Behälter, in welchem die besagten Füllkörper aufgeschichtet sind, wobei die Hülle jedes der Füllkörper zur Gänze mit dem Speichermaterial ausgefüllt ist und eine flexible Hülle besitzt, durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 beschriebenen Merkmale gekennzeichnet.
Eine Ausführungsform der Erfindungsgegenstandes ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Dig Fig. 1 ist ein Querschnitt, durch den das Material mit Phasenübergang enthaltenden Füllkörper.
Die Fig. 2 ist eine Ansicht von außen des Füllkörpers, die in Bezug auf Fig. 1 um 90º gedreht ist.
In Fig. 1 ist ein Körper oder eine Hülle 1 mit im wesentlichen spärischer Form und dünnen Wänden 2 mit einer konstanten Dicke dargestellt, wobei in einem äußeren Bereich ein nach dem Einfüllen des Materials mit Phasenübergang durch eine Verschlußkappe 4 hermetisch abgeschlossenes, kreisförmiges Ventil 3 vorgesehen ist.
Weiters weist der Körper 1 Ausnehmungen 5 auf, welche sphärisch-kreisförmige gegensinnige Kalotten sind, deren Radius der konkaven Krümmung gleich dem Radius der konvexen Krümmung der den Körper 1 bildenden Wand der Kugel ist. Im allgemeinen sind acht Ausnehmungen 5 auf der Außenseite der den Körper 1 bildenden Kugel vorgesehen, wobei diese Ausnehmungen 5 um 120º oder um 180º gegeneinander in einer horizontalen, durch das Zentrum der Kugel gehenden Ebene und um 45º gegeneinander in einer durch das Zentrum der Kugel gehenden vertikalen Ebene versetzt angeordnet sind.
Das Volumen dieser vertieften Ausnehmungen in Bezug auf das Volumen der kompletten Kugel ist zumindest gleich der Volumsvergrößerung des Speichermaterials während dessen Phasenübergang.
Daher hat die Steigerung des Innendruckes aufgrund des Zustandswechsels des Speichermaterials während dieses Überganges zur Folge, daß Druck auf die Ausnehmungen oder spärischen Kalotten 5 ausgeübt wird, welche sich nach und nach unter Freigabe des erforderlichen Volumens für die Ausdehnung umkehren.
Es ist aus diesem Ausführungsbeispiel zu ersehen, daß es diese einzige Flexibilität der Wand ist, die zur Erzielung einer Volumensvergrößerung ausgenützt wird und daß das die Hülle bildende Material niemals ausgedehnt oder zusammengepreßt wird.
Eine Erhöhung der auf dem Körper der Kugel vorgesehenen Anzahl der sphärischen vertieften Kalotten hat zum Effekt:
a) Sowohl die Amplitude der erforderlichen Biegung zu reduzieren;
b) und die Volumsvergrößerung besser über die Oberfläche der Hülle zu verteilen.
Daher wird die Ausführung von umso größerer Qualität sein, als die Anzahl der Kalotten größer wird.
Wie bereits weiter oben angegeben, kann das Wärme- oder Kältespeichermittel Wasser, ein Salzhydrat, Paraffin, etc. sein, welches in flüssigem Zustand in den kugelförmigen Körper 1 eingefüllt wird. Nachdem die Auffüllung beendet ist, setzt man die Verschlußkappe 4 ein und verschließt den kugelförmigen Körper dicht.

Claims

1. Füllkörper zur Aufnahme eines Energiespeichermaterials mit hoher, latenter Schmelz-Kristallisierungswärme, insbesondere Wasser, für eine Speichereinrichtung, umfassend einen Behälter, in welchem die besagten Füllkörper aufgeschichtet sind, wobei die Hülle jedes der Füllkörper zur Gänze mit dem Speichermaterial ausgefüllt ist und eine flexible Hülle besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle streng flexibel ist und eine oder mehrere kreisförmig-sphärische Ausnehmungen von konvexer Form aufweist, wenn sich das Speichermaterial in der flüssigen Phase befindet, sodaß ein Anwachsen des Druckes im Inneren des Körpers nach einer Anhebung des Volumens, die ihrerseits einem Phasenübergang des Speichermaterials entspricht, eine Umkehrung der kreisförmigen Ausnehmungen hervorruft, die eine konkave Form annehmen, um ohne Dehnung des die Hülle bildenden Materials ein zusätzliches Ausdehnungsvolumen freizugeben, welches beim Phasenübergang notwendig ist.

2. Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle von sphärischer Form ist, die kreisförmig-sphärischer Ausnehmungen einen Krümmungsradius mit gleichem Wert wie die Kugel jedoch mit umgekehrter Richtung aufweisen, das durch die Ausnehmungen definierte Volumen in bezug auf jenes der kompletten Kugel zumindest gleich dem beim Anwachsen des Volumens des Speichermaterials während des Phasenüberganges nötigen Volumen ist, sodaß bei vollständig auskristallisiertem Speichermaterial eine im wesentlichen komplette Kugel gegeben ist.